Energia limpa
24.07.2019/XNUMX/XNUMX - Os carros elétricos só andam melhor com baterias ou células a combustível? No momento, os fabricantes de automóveis estão se concentrando principalmente em carros totalmente elétricos. Mas o veículo com célula de combustível não oferece mais vantagens? Uma análise.
Carro elétrico ou veículo de célula de combustível?
Se quisermos nos apegar à mudança climática, temos que cuidar da mobilidade e das alternativas à energia de propulsão fóssil que não agridem o clima. Atualmente, o debate sobre powertrains alternativos é centrado em torno da questão de se os veículos elétricos são melhor usados com células de combustível ou com baterias de íon de lítio. A resposta a essa questão é determinada por fatores como adequação para o uso diário, custos e sustentabilidade.
Atualmente, a corrida entre a célula de combustível e a bateria de íons de lítio parece estar em execução: veículos elétricos puros (BEV), excluindo veículos híbridos, dominam os novos registros, e as estações de recarga podem ser encontradas muitas, enquanto as estações de reabastecimento de hidrogênio são poucas e distantes. Veículos de célula de combustível (FCEV) são mais caros e hidrogênio como combustível custa mais do que eletricidade. Então está tudo claro? Não é bem assim. Se você der uma olhada mais de perto na célula de combustível, terá uma imagem diferenciada. Reunimos as vantagens e desvantagens das variantes de acionamento do carro elétrico para você.
A unidade de célula de combustível bóia regularmente. No entanto, é alarmante que isso esteja acontecendo regularmente há mais de 25 anos. Além disso, como os avanços na mobilidade elétrica da bateria são consideráveis, esta tecnologia H 2 fica sempre para trás.
Quão amigos do ambiente são os BEVs em comparação com o FCEV?
Para a comparação entre eletricidade e hidrogênio, quanto mais verde for a fonte de energia, melhor será o equilíbrio ambiental. Na comparação ecológica com os carros elétricos, a célula de combustível está passando por dificuldades: primeiro, a eletricidade deve ser gerada a partir do hidrogênio. Isso é alimentado no carro, no carro, a eletricidade é gerada a partir do hidrogênio novamente. Esta dupla conversão reduz significativamente a eficiência. Qualquer um que carregue diretamente a bateria de seu carro elétrico com a mesma potência viajará mais economicamente e, portanto, também mais ecologicamente correto. No entanto, isso poderia ser diferente no futuro. Uma vez que a eletricidade é produzida predominantemente a partir do sol, vento e água, um carro de célula de combustível torna-se competitivo, uma vez que consome menos recursos em sua fabricação do que um carro elétrico movido a bateria.
Um estudo recente do Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar (ISE) em nome de H2 Mobilidade parece confirmar isso: Então são de uma gama de 250 quilómetros carros com hidrogênio e célula combustível do que veículos movidos a bateria favorável ao clima. O fator decisivo é a mochila muito maior da CO2, os carros de bateria têm que realizar a produção da bateria, disseram os pesquisadores. A pegada de gases de efeito estufa (GEE) da produção e reciclagem de um sistema de célula de combustível incluindo um tanque é aproximadamente equivalente a de um acionamento elétrico com uma capacidade de armazenamento de 45 para 50 kWh. Para carros com baterias maiores, mais emissões de GEE são emitidas do que para o sistema de célula de combustível em uma classe de desempenho comparável.
O estudo examinou as emissões de GEE geradas na produção, operação e eliminação de veículos com baterias e células de combustível com intervalos de 300 quilómetros, para os períodos 2020 a 2030 e 2030 a 2040. O estudo também faz restrições. Entre outras coisas, o potencial de melhoria na produção de materiais importantes (platina, alumínio, etc.) não foi levado em conta. Além disso, o estudo recomenda investigar outras categorias de impactos além das emissões de GEE, como o consumo de terra e água. Além disso, o impacto ambiental não foi considerado para a construção da infra-estrutura de mobilidade (infra-estrutura de carregamento, distribuição H2, etc.) e um uso de segunda-vida de baterias e células de combustível não foi incluído.
Em resumo, isso significa: Veículos elétricos com baterias de médio a menor (capacidade de armazenamento <50 kWh) e alcances de até 250 quilômetros reduzem as emissões no trânsito. Para distâncias mais longas, os veículos com células de combustível têm vantagens crescentes do ponto de vista da proteção climática. A pegada de GEE de ambas as alternativas depende muito da produção das baterias ou do hidrogênio.
Com base na situação atual do mercado de eletricidade na Alemanha, de acordo com os cálculos do ADAC, não há grandes problemas a serem esperados a médio prazo. Porque dez milhões de carros elétricos exigiriam um consumo de energia adicional de cerca de 5,6 por cento. Além disso, melhorias na eficiência e economia de energia para iluminação, bem como em prédios e instalações industriais poderiam compensar parte da demanda adicional por eletromobilidade.
De acordo com o ADAC, o risco de sobrecarga da rede local aumenta com o número de veículos elétricos. Em particular, as redes de distribuição que fornecem eletricidade para o cliente final na “última milha” são incapazes de lidar com a demanda adicional de residências com carros elétricos, como o Barômetro do Mercado de Energia ZEW 2018 descobriu. Os analistas da consultoria Oliver Wyman também calcularam no estudo "The E-Mobility Blackout", juntamente com pesquisadores da Universidade Técnica de Munique, que as redes de baixa tensão alemãs não são capazes de lidar com o boom de carros elétricos. Carros elétricos com uma participação de 30% ou mais sobrecarregariam a rede de distribuição local e provocariam quedas de energia locais assim que muitos veículos fossem carregados ao mesmo tempo. No entanto, o carregamento bidirecional e o gerenciamento inteligente de carga podem ajudar. Aqui, no entanto, é importante esclarecer as consequências legais do carregamento bidirecional e como o carregamento e o descarregamento frequentes afetam o envelhecimento das baterias.
Para ganhar hidrogênio, grandes quantidades de energia devem ser gastas. Hoje, o hidrogênio é produzido principalmente pela reforma a vapor. Aqui, o combustível carbonoso reage com o vapor de água, o que não é um grande ganho do ponto de vista climático, porque o dióxido de carbono é produzido novamente. Portanto, as esperanças de muitos especialistas dependem da eletrólise. O excesso de eletricidade da energia eólica e solar pode ser transformado em hidrogênio por eletrólise, que pode ser armazenada ou usada de várias maneiras. No caso das energias renováveis por eletrólise, toda a trajetória de produção é quase totalmente livre de emissões, em contraste com a reforma convencional dos gases naturais. O hidrogênio, que é produzido por meio da eletrólise da eletricidade verde e da água, serve como fonte de material para todas as tecnologias Power-to-X. Com o Power-to-X, por exemplo, o hidrogênio pode ser produzido para veículos com célula de combustível. O hidrogênio pode, portanto, ser usado de várias maneiras. Mas também integrando as baterias do veículo na rede elétrica, a eletricidade excedente pode ser melhor utilizada.
No entanto, o processo de eletrólise e a subsequente liquefação de hidrogênio são muito intensivos em energia, já que quase metade da energia usada é perdida. Na verdade, o veículo movido a hidrogênio movido a hidrogênio atinge apenas uma eficiência energética de cerca de 26 por cento, e os veículos elétricos a bateria atingem cerca de 69 por cento. Isto significa que, a fim de satisfazer as necessidades de energia do FCEV, a produção de eletricidade verde teria de ser expandida muitas vezes mais do que para o BEV - o que, por sua vez, tem consequências para o uso da terra, uso de material e impacto ambiental global.
O powertrain eletrificado muda mobilidade tão radicalmente quanto o local de produção a Alemanha. Em vez de fresagem e brunimento, a indústria automotiva alemã precisa dominar a tecnologia de armazenamento elétrico e a eletrônica de potência. As consequências são sérias. Produzir um powertrain para eletromobilidade elétrica de bateria não só requer significativamente menos partes mas também menos empregados.
Existem recursos suficientes?
De acordo com o Öko-Institut, a ocorrência de lítio, cobalto, níquel, grafite (baterias) e platina (células de combustível) excede claramente a demanda. No entanto, pode haver gargalos se os locais de extração não forem abertos em tempo hábil. Além disso, os problemas ambientais e sociais devem ser resolvidos. O cobalto, em particular, é considerado uma matéria-prima “suja”. Mais da metade do cobalto do mundo vem do Congo. As crianças costumam ser usadas como mão de obra barata nas minas, relata a Amnistia Internacional. Além disso, a extração do cobalto polui o meio ambiente.
A mineração de lítio também tem consequências, especialmente para a população da Bolívia, Chile e Argentina, conforme apurou o "Pão para o Mundo". São necessários cerca de dois milhões de litros de água para produzir uma tonelada de lítio. Como resultado, o nível do lençol freático no chamado triângulo de lítio afunda, a vegetação seca, o solo se torna muito salgado e espécies de aves endêmicas, como flamingos, estão morrendo. Além disso, o habitat das comunidades indígenas está sendo destruído. A maior parte da platina, por outro lado, está armazenada no chamado “cinturão da platina” da África do Sul. Sua mineração também contribui para a poluição ambiental e está associada a violações dos direitos humanos.
E quanto à infraestrutura de carregamento e reabastecimento?
Devido à maior densidade de energia com a qual o hidrogênio no tanque pode ser armazenado contra a energia elétrica na bateria, eles oferecem a vantagem de faixas mais altas. Os carros com célula de combustível podem ser reabastecidos em apenas três minutos para faixas de 500 a 800 quilômetros. No entanto, o pré-requisito para o abastecimento rápido é que você pode encontrar uma estação H2. Segundo a Now GmbH, a 71 possui atualmente estações de abastecimento H2 na Alemanha. Para comparação: De acordo com dados da Statista, o número de estações de carregamento na Alemanha está atualmente em torno da 15.880.
O tempo que um veículo elétrico leva para carregar depende principalmente da capacidade da bateria e da infraestrutura de carga, ou seja, a coluna, a estação ou a fonte de alimentação. Por exemplo, uma bateria média na tomada doméstica leva mais de dez horas para recarregar. Mas também é mais rápido: no âmbito do projeto Fastcharge, foi inaugurado o protótipo de uma estação de carregamento com capacidade de até 450 kilowatts. Os veículos de investigação elétricos demonstraram tempos de carga inferiores a três minutos para a primeira gama de quilómetros 100 e minutos 15 para uma carga completa (10 - 80 por cento de estado de carga (SOC)) nesta estação de carregamento ultra-rápida. Com maior poder de carga, no entanto, o gerenciamento térmico de baterias está se tornando cada vez mais o foco do desenvolvimento. Aqui é crucial como a crescente perda de calor pode ser resfriada para garantir uma longa vida útil da bateria e impedir a passagem de células individuais.
Em resumo, isso significa que as estações de recarga podem ser muito mais simples e econômicas, de acordo com o escritor Jürgen Rechberger, da Springer, explica no capítulo Fundamentos da Tecnologia de Célula de Combustível do livro Fundamentos de Motores de Combustão. Uma grande parte deles são, no entanto, estações normais de carregamento. Estações de carga rápidas teriam capacidades de conexão extremamente altas, o que representava um enorme fardo sobre as redes de eletricidade existentes, disse o autor. O hidrogênio, por outro lado, pode ser facilmente transportado em grandes volumes em tubulações, mesmo na rede de gás natural existente. Devido ao curto tempo de reabastecimento, existe também um alto nível de aceitação do cliente e uma bomba pode fornecer até 250 veículos por dia. Em comparação, numa estação de carregamento convencional apenas quatro a seis veículos e numa estação de carregamento rápido 60 para veículos 80 poderiam ser carregados. A estação de reabastecimento de hidrogênio precisava de aproximadamente 50 quilogramas de hidrogênio por hora e a estação de carregamento rápido precisava de uma potência permanente de 300 quilowatts. De acordo com Rechberger, especialmente em áreas urbanas, provavelmente será muito mais barato construir uma infraestrutura de hidrogênio do que redes de eletricidade completamente novas para o número necessário de estações de carregamento rápido.
Onde ir com as baterias de tração e células de combustível?
Baterias de carros elétricos são resíduos perigosos. De acordo com a lei de baterias, os fabricantes de baterias ou revendedores devem recuperá-los e reciclá-los. Tecnologicamente falando, os processos de reciclagem de baterias de íons de lítio já estão disponíveis hoje. Assim, de acordo com a ADAC, de baterias de tração até 95 por cento dos materiais funcionais relevantes cobalto, níquel, lítio e cobre podem ser recuperados. Entretanto, como os processos de reciclagem estão em estágio inicial de desenvolvimento, assim como as condições do arcabouço legal e os conceitos logísticos, a reciclagem de baterias ainda é um grande desafio, como os autores Springer no capítulo Reciclagem de Baterias de Veículos Elétricos do livro Comportamento de Baterias. Baterias de íons de lítio sob tensão em veículos elétricos.
Baterias de tração que não são mais potentes o suficiente para serem usadas em veículos ainda podem ser usadas como armazenamento de energia estacionária por muitos anos na "segunda vida". No entanto, há divergências sobre se as baterias velhas devem ser recicladas diretamente ou reutilizadas como baterias de segunda vida.
A partir de uma célula de combustível, a platina pode ser quase totalmente recuperada no final de sua vida útil, taxas de reciclagem superiores a 98 por cento podem ser alcançadas. Outro desafio é a característica das células de combustível e uma baixa adequação para mudanças de carga altamente dinâmicas, como aquelas na condução de um veículo motorizado. Portanto, as baterias de íons de lítio ainda são usadas hoje como tanques intermediários em veículos com célula de combustível, o que deve ser levado em consideração na reciclagem, assim como no equilíbrio ecológico geral do veículo com célula de combustível.
O que o BEV e o FCEV significam para a indústria automotiva alemã?
Embora a pesquisa e a produção de células de íons de lítio estejam firmemente nas mãos asiáticas, a produção de baterias requer alto investimento, o acionamento de células de combustível da indústria automotiva alemã pode trazer de volta uma parte substancial do valor agregado que vem com a bateria. A eletromobilidade é perdida. A produção em massa de uma pilha de células de combustível não é mais um grande problema, reduzir o custo do tanque de hidrogênio é o maior desafio, explica Andreas Burkert.
Conclusão
Os BEVs são a maneira mais eficiente de converter a eletricidade renovável em desempenho de direção. É por isso que este conceito é ideal para veículos menores e mais leves. No entanto, a desvantagem é o maior tempo de carregamento. Estes podem se tornar mais curtos no futuro. Os tempos de carregamento são limitados pela tecnologia da bateria, mas pelo fornecimento de energia e energia da infraestrutura de carregamento. O FCEV é sempre uma vantagem quando o uso direto de eletricidade é difícil ou impossível e onde longas distâncias têm de ser cobertas. O tempo de reabastecimento é rápido, o hidrogênio pode ser disponibilizado mais facilmente, especialmente no ambiente urbano, e já alguns postos de gasolina fornecem uma frota de veículos muito grande. Outra grande vantagem do hidrogênio é que ele é uma fonte universal de energia e armazenamento. A eletrólise da água para a produção de hidrogênio é o elo entre a eletricidade renovável, outras fontes de energia e os materiais básicos. O uso e dependência de recursos é comparativamente baixo na unidade de célula de combustível. Por outro lado, a degradação do lítio para a bateria no BEV, mas também para a pequena bateria de buffer no FCEV, é extremamente prejudicial ao meio ambiente. A célula de combustível oferece a oportunidade de manter a faixa vertical de fabricação das montadoras alemãs. No caso do BEV, isso é menor porque as células da bateria vêm da Ásia.
O que isso significa para a comparação BEV versus FCEV? Veículos com bateria e célula de combustível se complementam. Ambas as variantes de unidade têm sua autorização. No entanto, a grande vantagem do hidrogênio é que ele dificilmente pode ser batido como uma instalação de armazenamento transportável e estacionária para grandes quantidades de energia no contexto da transição energética. Em geral, no entanto, a mudança no tráfego não deve se limitar a substituir a energia de propulsão fóssil por energia renovável. O número de veículos também deve ser reduzido.
Fonte: Autor: Christiane Köllner Springer proffesional
